آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت. فولادها و آلیاژهای ویژه تولید و استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

صنعت مدرن بدون موادی مانند فولاد قابل تصور نیست. تقریباً در هر مرحله با آن روبرو می شویم. با وارد کردن عناصر شیمیایی مختلف در ترکیب آن، خواص مکانیکی و عملیاتی را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

فولاد چیست

فولاد آلیاژی است که حاوی کربن و آهن است. همچنین، چنین آلیاژی (عکس زیر) ممکن است ناخالصی هایی از عناصر شیمیایی دیگر داشته باشد.

چندین حالت ساختاری وجود دارد. اگر میزان کربن در محدوده 0.025-0.8 درصد باشد، این فولادها هیپویوتکتوئید نامیده می شوند و در ساختار خود پرلیت و فریت دارند. اگر فولاد هایپریوتکتوئید باشد، فازهای پرلیت و سمنتیت قابل مشاهده است. یکی از ویژگی های ساختار فریت، انعطاف پذیری بالای آن است. سیمانیت نیز سختی قابل توجهی دارد. پرلیت هر دو فاز قبلی را تشکیل می دهد. می تواند شکل دانه ای داشته باشد (آخال های سمنتیت در امتداد دانه های فریت قرار دارند که شکلی گرد دارند) و لایه ای (هر دو فاز شبیه صفحات هستند). اگر فولاد بالاتر از دمایی که در آن گرم شودتغییرات چند شکلی رخ می دهد، ساختار به آستنیتی تغییر می کند. این فاز باعث افزایش انعطاف پذیری شده است. اگر محتوای کربن بیش از 2.14٪ باشد، چنین مواد و آلیاژهایی چدن نامیده می شوند.

انواع فولاد

بسته به ترکیب، فولاد می تواند کربن و آلیاژ باشد. محتوای کربن کمتر از 0.25٪ مشخصه فولاد ملایم است. اگر مقدار آن به 0.55٪ برسد، می توانیم در مورد آلیاژ کربن متوسط صحبت کنیم. فولادی که در ترکیب آن بیش از 0.6 درصد کربن دارد، فولاد پرکربن نامیده می شود. اگر در فرآیند تولید یک آلیاژ، فناوری شامل معرفی عناصر شیمیایی خاص باشد، این فولاد آلیاژی نامیده می شود. معرفی اجزای مختلف به طور قابل توجهی خواص آن را تغییر می دهد. اگر تعداد آنها بیش از 4٪ نباشد، آلیاژ کم آلیاژ است. فولاد متوسط آلیاژی و پرآلیاژ به ترتیب تا 11 درصد و بیش از 12 درصد آخال ها را دارد. بسته به منطقه ای که آلیاژهای فولادی در آن استفاده می شود، انواع مختلفی از آنها وجود دارد: فولادها و آلیاژهای ابزاری، سازه ای و ویژه.

فناوری تولید

فرایند ذوب فولاد بسیار پر زحمت است. شامل چندین مرحله است. اول از همه، شما به مواد خام نیاز دارید - سنگ آهن. مرحله اول شامل حرارت دادن به دمای معین است. در این مورد، فرآیندهای اکسیداتیو رخ می دهد. در مرحله دوم دما بسیار بالاتر می رود. فرآیندهای اکسیداسیون کربن فشرده تر هستند. غنی سازی اضافی آلیاژ با اکسیژن امکان پذیر است. ناخالصی های غیر ضروری در آن حذف می شوندسرباره مرحله بعدی حذف اکسیژن از فولاد است، زیرا به طور قابل توجهی خواص مکانیکی را کاهش می دهد. این را می توان به صورت انتشار یا رسوب انجام داد. اگر فرآیند اکسید زدایی اتفاق نیفتد، فولاد حاصل را فولاد جوشان می نامند. آلیاژ آرام گازها را منتشر نمی کند، اکسیژن به طور کامل حذف می شود. یک موقعیت متوسط توسط فولادهای نیمه آرام اشغال شده است. تولید آلیاژهای آهن در کوره‌های باز، کوره‌های القایی، مبدل‌های اکسیژن صورت می‌گیرد.

آلیاژ فولاد

برای به دست آوردن خواص خاصی از فولاد، مواد آلیاژی خاصی به ترکیب آن وارد می شود. مزایای اصلی این آلیاژ افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل های مختلف، قابلیت اطمینان قطعات و سایر عناصر ساختاری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. سخت شدن درصد ترک ها و سایر عیوب را کاهش می دهد. اغلب از این روش اشباع با عناصر مختلف برای ایجاد مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی استفاده می شود. اما یک سری معایب نیز وجود دارد. آنها نیاز به پردازش اضافی دارند، احتمال ظهور تکه ها زیاد است. علاوه بر این، هزینه مواد نیز افزایش می یابد. رایج ترین عناصر آلیاژی عبارتند از کروم، نیکل، تنگستن، مولیبدن، کبالت. دامنه کاربرد آنها بسیار زیاد است. این شامل مهندسی مکانیک، و ساخت قطعات برای خطوط لوله، نیروگاه‌ها، هوانوردی و موارد دیگر می‌شود.

مفهوم مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر حرارت

مفهوم مقاومت در برابر حرارت به توانایی یک فلز یا آلیاژ برای حفظ تمام ویژگی های خود هنگام کار در دماهای بالا اشاره دارد. در چنین محیطی، اغلبخوردگی گاز مشاهده می شود. بنابراین، ماده نیز باید در برابر عمل خود مقاوم باشد، یعنی در برابر حرارت مقاوم باشد. بنابراین، مشخصات آلیاژهایی که در دماهای قابل توجهی استفاده می شوند باید هر دوی این مفاهیم را شامل شود. تنها در این صورت است که چنین فولادهایی عمر مفید لازم را برای قطعات، ابزار و سایر عناصر ساختاری فراهم می‌کنند.

ویژگی های فولاد مقاوم در برابر حرارت

در مواردی که دما به مقادیر بالایی می رسد، استفاده از آلیاژهایی لازم است که فرو ریخته و تسلیم تغییر شکل نشوند. در این مورد از آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت استفاده می شود. دمای کار برای چنین موادی بالاتر از 500 درجه سانتیگراد است. نکات مهمی که این نوع فولادها را مشخص می کند حد استقامت بالا، انعطاف پذیری که برای مدت طولانی باقی می ماند و همچنین ثبات آرامش است. تعدادی از عناصر وجود دارد که می توانند به طور قابل توجهی مقاومت در برابر دماهای بالا را افزایش دهند: کبالت، تنگستن، مولیبدن. کروم نیز جزء ضروری است. آنقدر بر استحکام تأثیر نمی گذارد زیرا مقاومت مقیاس را افزایش می دهد. کروم همچنین از فرآیندهای خوردگی جلوگیری می کند. یکی دیگر از ویژگی های مهم آلیاژهای این نوع خزش آهسته است.

طبقه بندی فولادهای مقاوم در برابر حرارت بر اساس ساختار

آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر حرارت از کلاس فریتی، مارتنزیتی، آستنیتی و با ساختار فریتی-مارتنزیتی هستند. اولی حاوی حدود 30 درصد کروم است. پس از پردازش ویژه، ساختار ریزدانه می شود. اگر دمای حرارت بیش از 850 درجه سانتیگراد باشد، دانه هاافزایش می یابد و چنین مواد مقاوم در برابر حرارت شکننده می شوند. طبقه مارتنزیتی با محتوای کروم زیر مشخص می شود: از 4٪ تا 12٪. نیکل، تنگستن و سایر عناصر نیز ممکن است در مقادیر کم وجود داشته باشند. قسمت هایی از توربین ها و شیرهای خودرو از آنها ساخته می شود. فولادهایی که در ساختار خود دارای مارتنزیت و فریت هستند برای کار در دمای بالا ثابت و کارکرد طولانی مدت مناسب هستند. محتوای کروم به 14٪ می رسد. آستنیت با وارد کردن نیکل به آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت به دست می آید. فولادهای با ساختار مشابه دارای درجه های زیادی هستند.

آلیاژهای مبتنی بر نیکل

نیکل دارای تعدادی خواص مفید است. بر کارایی فولاد (چه سرد و چه گرم) تأثیر مثبت دارد. اگر یک قطعه یا ابزار برای کار در یک محیط تهاجمی طراحی شده باشد، آلیاژ کردن با این عنصر مقاومت به خوردگی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. مواد مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل به گروه های زیر تقسیم می شوند: مقاوم در برابر حرارت و در واقع مقاوم در برابر حرارت. دومی نیز باید حداقل ویژگی های مقاوم در برابر حرارت را داشته باشد. دمای کار به 1200 درجه سانتیگراد می رسد. علاوه بر این، کروم یا تیتانیوم اضافه می شود. مشخص است که فولادهای آلیاژ شده با نیکل دارای مقدار کمی ناخالصی مانند باریم، منیزیم، بور هستند، بنابراین مرز دانه ها بیشتر تقویت می شود. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت از این نوع به صورت آهنگری و محصولات نورد تولید می شوند. امکان ریخته گری قطعات نیز وجود دارد. حوزه اصلی کاربرد آنها ساخت المان های توربین گازی است. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل حاوی حداکثر 30 درصد کروم هستند.آنها خود را به اندازه کافی برای مهر زنی، جوشکاری وام دارند. علاوه بر این، مقاومت مقیاس در سطح بالایی قرار دارد. این امکان استفاده از آنها را در سیستم های خط لوله گاز فراهم می کند.

فولاد آلیاژی تیتانیوم مقاوم در برابر حرارت

تیتانیوم به مقدار کمی (تا 0.3٪) معرفی می شود. در این صورت استحکام آلیاژ را افزایش می دهد. اگر محتوای آن بسیار بیشتر باشد، برخی از خواص مکانیکی (سختی، استحکام) بدتر می شوند. اما پلاستیسیته افزایش می یابد. این امر پردازش فولاد را تسهیل می کند. با معرفی تیتانیوم همراه با اجزای دیگر، می توان به طور قابل توجهی ویژگی های مقاوم در برابر حرارت را بهبود بخشید. اگر نیاز به کار در یک محیط تهاجمی وجود دارد (مخصوصاً زمانی که طراحی شامل جوشکاری می شود)، آلیاژسازی با این عنصر شیمیایی موجه است.

آلیاژهای کبالت

مقدار زیادی کبالت (تا ۸۰٪) برای تولید موادی مانند آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر حرارت استفاده می شود، زیرا به ندرت به شکل خالص آن استفاده می شود. معرفی آن باعث افزایش انعطاف پذیری و همچنین مقاومت در هنگام کار در دمای بالا می شود. و هر چه بیشتر باشد، مقدار کبالت وارد شده به آلیاژ بیشتر می شود. در برخی برندها محتوای آن به 30 درصد می رسد. یکی دیگر از ویژگی های مشخصه این نوع فولادها بهبود خواص مغناطیسی است. با این حال، به دلیل هزینه بالای کبالت، استفاده از آن نسبتاً محدود است.

تاثیر مولیبدن بر آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت

این عنصر شیمیایی به طور قابل توجهی بر استحکام مواد در دماهای بالا تأثیر می گذارد.

به ویژه هنگامی که همراه با سایر عناصر استفاده می شود موثر است. این به طور قابل توجهی سختی فولاد را افزایش می دهد (در حال حاضر در محتوای 0.3٪). استحکام کششی نیز افزایش می یابد. ویژگی مثبت دیگری که آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت آلیاژ شده با مولیبدن دارند، درجه بالایی از مقاومت در برابر فرآیندهای اکسیداتیو است. مولیبدن به آسیاب غلات کمک می کند. عیب آن سختی جوش است.

سایر فولادها و آلیاژهای ویژه

برای انجام برخی وظایف، به موادی نیاز است که دارای خواص مشخصی باشند. بنابراین، می توان در مورد استفاده از آلیاژهای ویژه صحبت کرد که می توانند هم آلیاژی و هم کربن باشند. در مورد دوم، مجموعه ای از ویژگی های مورد نیاز به دلیل این واقعیت است که ساخت آلیاژها و پردازش آنها با استفاده از یک فناوری خاص انجام می شود. حتی آلیاژها و فولادهای خاص نیز به ساختاری و ابزاری تقسیم می شوند. از جمله وظایف اصلی برای این نوع مواد می توان موارد زیر را متمایز کرد: مقاومت در برابر خوردگی و فرآیندهای سایش، توانایی کار در یک محیط تهاجمی و بهبود ویژگی های مکانیکی. این دسته شامل فولادها و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت با دمای عملیاتی بالا و فولادهای برودتی است که می توانند تا -296 درجه سانتیگراد را تحمل کنند.

فولاد ابزار

فولاد ابزار ویژه در تولید ابزار استفاده می شود. با توجه به اینکه شرایط کاری آنها متفاوت است، مواد نیز به صورت جداگانه انتخاب می شوند. از آنجایی که نیاز به ابزار بسیار زیاد است، ویژگی های آلیاژها برای آنهاتولید مناسب است: آنها باید عاری از ناخالصی های شخص ثالث، آخال ها باشند، فرآیند اکسید زدایی به خوبی انجام شود و ساختار همگن باشد. برای ابزار اندازه گیری داشتن پارامترهای پایدار و مقاومت در برابر سایش بسیار مهم است. اگر در مورد ابزارهای برش صحبت کنیم، آنها در دماهای بالا کار می کنند (گرمای لبه وجود دارد)، اصطکاک ثابت و تغییر شکل. بنابراین، حفظ سختی اولیه آنها هنگام گرم شدن بسیار مهم است. نوع دیگر فولاد ابزار، فولاد پرسرعت است. اساساً با تنگستن دوپ شده است. سختی تا دمای حدود 600 درجه سانتیگراد حفظ می شود. فولادهای قالبی نیز وجود دارد. آنها برای شکل دهی گرم و سرد طراحی شده اند.

کاربردهای ویژه آلیاژ

صنایع که از آلیاژهایی با ویژگی های خاص استفاده می کنند بسیارند. به دلیل کیفیت بهبود یافته، آنها در مهندسی مکانیک، ساخت و ساز و صنعت نفت ضروری هستند. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر حرارت در ساخت قطعات توربین، قطعات یدکی خودرو استفاده می شود. فولادهایی که ویژگی های ضد خوردگی بالایی دارند برای تولید لوله، سوزن کاربراتور، دیسک و عناصر مختلف صنایع شیمیایی ضروری هستند. ریل های راه آهن، سطل ها، خطوط برای وسایل نقلیه - فولادهای مقاوم در برابر سایش اساس همه اینها هستند. در تولید انبوه پیچ و مهره و سایر قطعات مشابه از آلیاژهای اتوماتیک استفاده می شود. فنرها باید به اندازه کافی الاستیک و مقاوم در برابر سایش باشند. از همین رومواد برای آنها فولاد فنری است. برای بهبود این کیفیت، آنها به علاوه با کروم، مولیبدن آلیاژ می شوند. همه آلیاژها و فولادهای خاص با مجموعه ای از ویژگی های خاص می توانند هزینه قطعاتی را که قبلاً از فلزات غیرآهنی استفاده می شد کاهش دهند.